我们怎样才能让时光倒流？它能比光还快吗？为什么？

分析:

光不代表时间，但时间以光速运动。时间没有精确的定义。而爱因斯坦本人后来也证明了超光速无法回到过去。

长期以来人们对时间本质的看法是如何变化的。直到本世纪初，人们还相信绝对时间。也就是说，每个事件都可以用一个叫做“时间”的数字以一种独特的方式来标记，所有好的时钟在测量两个事件之间的时间间隔时都是一致的。然而，光速对任何移动的观察者来说都永远不变的发现导致了相对论；在相对论中，人们必须抛弃存在唯一绝对时间的想法。相反，每个观察者携带的时钟记录了他自己的时间测量值——不同观察者携带的时钟不一定读数相同。这样，对于进行测量的观察者来说，时间变成了一个更加主观的概念。

当人们试图统一引力和量子力学时，就必须引入“虚”时间的概念。虚时间和空间方向是分不开的。一个人如果能往北走，就可以转头往南走；同样，如果一个人在空闲的时候可以前进，那么他也应该可以掉头回去。这表明，在虚拟时间中，向前和向后不可能有重要的区别。另一方面，当人们看“实时”时间时，众所周知，向前和向后的方向有巨大的差异。过去和未来的区别从何而来？为什么我们记得过去而不是未来？

科学法则不区分过去和未来。更确切地说，如前所述，在称为C、P和t的共同作用(或称对称性)下，科学定律不变，(C)是指用反粒子代替粒子；p的意思是取镜像，这样左右互换；t的意思是反转所有粒子的运动方向，也就是反转运动。在所有正常情况下，约束物体行为的科学定律在CP联合对称下不变。换句话说，对于其他星球的居民来说，如果他们是我们的镜像，是由反物质而不是物质构成的，那么生命将会完全一样。

如果科学定律在CP联合对称和CPT联合对称下不变，那么在分离T对称下也一定不变。但是在日常生活的真实时间里，前进和后退的方向还是有很大的区别。想象一杯水从桌子上掉到地板上，被打碎了。如果你记录下来，你可以很容易地分辨出它是前进还是后退。如果倒回去，会看到碎片突然聚在一起离开地板，又跳回桌子上，形成一个完整的杯子。你可以断定视频是倒放的，因为这种行为在日常生活中从来没有过。如果出现这种情况，陶瓷行业就没生意可做了。

为什么我们从来没有看到一个打碎的杯子爬起来，离开地面，跳回到桌子上？通常的解释是，这违反了热力学第二定律，该定律指出，在任何封闭系统中，无序或熵总是随时间增加。换句话说，它是墨菲定律的一种形式:事情往往会变得更糟:桌面上一个完整的杯子处于高度有序的状态，而地板上一个破碎的杯子则处于无序状态。人很容易从桌上的杯子变成后来地上的破杯子，而不是相反。

无序度或熵随时间的增加就是所谓时间箭头的一个例子。时间之箭区分了过去和未来，给了时间一个方向。至少有三个不同的时间箭头:第一个是热力学时间箭头，即无序度或熵在这个时间方向上增加；再有就是时间的心理箭头，是我们感受时间流逝的方向，在这个方向上我们可以记住过去而不是未来；最后，还有宇宙学时间箭头，宇宙在膨胀，而不是收缩。

在这一章中，我将论证宇宙的无界状态和弱人择原理可以解释为什么三个箭头都指向同一个方向。另外，为什么一定要有明确的时间箭头。我将证明心理箭头是由热力学箭头决定的，两个箭头必须总是指向同一个方向。如果人们假设宇宙没有边界条件，我们会看到一定有定义明确的热力学和宇宙学时间箭头。但是对于宇宙的整个历史来说，它们并不总是指向同一个方向。但是，我会指出，只有当它们指向同一个方向时，才能有合适的条件，让智慧生命的发展可以问，为什么在宇宙膨胀的时间方向上，无序增加。

首先我想讨论一下热力学时间箭头。无序态总是比有序态多得多的事实，是热力学第二定律存在的原因。例如，考虑一盒拼图。有且只有一种排列方式可以将这些小纸片组合成一幅完整的图画。另一方面，有大量的安排，当小纸片是无序的，不能放在一起成为一幅画。

假设一个系统从这些有序状态中的一个开始。随着时间的推移，这个系统会按照科学的规律演化，它的状态会发生变化。后来因为无序状态比较多，所以处于无序状态的可能性比处于有序状态的可能性大。这样，如果一个系统服从一个高度有序的初始条件，那么无序的程度就会随着时间而增加。

假设拼图玩具盒中的纸片从一个有序的组合开始，可以排列成一幅图片。如果你摇箱子，这些纸片会采用其他的组合，可能是无序的组合，无法形成合适的画面，因为无序的组合实在太多了。一些纸片可能还会形成一些画面，但是你越是摇晃盒子，这些纸片就越有可能分离，这些纸片就会处于一种完全混乱的状态，在这种状态下，它们无法形成任何一种画面。这样，如果纸张从高度有序状态的初始条件出发，那么纸张的无序度很可能会随着时间而增加。

但是，如果上帝决定了宇宙无论从什么状态开始，都必须以高度有序的状态结束，那么宇宙在早期就可能处于无序状态。这意味着无序程度会随着时间的推移而降低。你会看到打碎的杯子升起来，跳回到桌子上。但是，任何观察杯子的人都生活在一个无序度随时间递减的宇宙中，我会得出这样的结论:这样的人会有一个向后的心理时间箭头。也就是说，他们会记住未来的事件，而不是过去的事件。当杯子碎了，他们会记得它在桌子上的情形；但是当它在桌子上时，他们不会记得它在地上。

因为我们不知道大脑工作的细节，所以讨论人类的记忆是相当困难的。然而，我们确实知道计算机的内存是如何工作的。所以，我将讨论计算机的心理时间箭头。我觉得假设计算机和人类一箭双雕是合理的。如果没有，人们可能会崩溃证券交易所，因为他们有一台电脑来记住明年的价格。

一般来说，计算机的存储器是一个包含可以以两种状态中的任何一种存在的元素的设备，算盘就是一个简单的例子。它最简单的形式是由许多铁条组成；每根铁棒上都有一串念珠，可以停留在两个位置中的一个。电脑内存存储之前，它的内存是无序的，念珠有两种可能的状态。算盘珠杂乱地散落在算盘的铁条上。记忆与要记忆的系统交互后，必须根据系统的状态处于这样或那样的状态(每个算盘珠子会位于铁棒的左侧或右侧。)这样，记忆从无序状态变成有序状态。但为了保证记忆处于正确的状态，它需要使用一定的能量(比如移动算盘珠子或者打开电脑的电源)。这种能量以热的形式消散，从而增加了宇宙的无序度。可以证明，这种无序的增量总是大于记忆本身有序的增量。这样，计算机的散热风扇排出的热量，说明计算机在内存中记录一个项目时，宇宙的无序总量仍然在增加。电脑记忆过去的时间方向与无序度增加的方向一致。

所以我们对时间方向的主观感觉或者心理上的时间箭头是由我们头脑中的热力学时间箭头决定的。就像计算机一样，我们必须按照熵增加的顺序记忆事物。这几乎把热力学定律变成了无聊的东西。无序度随时间增加，因为我们是在无序度增加的方向上测量时间的。赌这个你就赢了。

但是为什么一定要有热力学时间箭头呢？或者换句话说，为什么宇宙在我们所谓的过去时间的尽头，处于高度有序的状态？为什么不是一直完全失灵？毕竟看起来可能性更大。而无序的时间方向为什么会和宇宙膨胀同向增加？

在经典的广义相对论中，由于所有已知的科学定律都在大爆炸的奇点失效，人们无法预测宇宙是如何开始的。宇宙可以从非常平稳有序的状态开始。这将导致我们观察到的定义明确的热力学和宇宙学时间箭头。然而，它同样可以合理地从非常起伏的无序状态开始。在那种情况下，宇宙已经处于完全无序的状态，所以无序的程度不会随着时间而增加。或者保持不变，然后就没有明确定义的热力学时间箭头；或者会减少，那么热力学时间箭头就会和宇宙学时间箭头相反。这些可能性都与我们观察到的不一致。然而，正如我们所看到的，经典的广义相对论预言了它自己的崩溃。当时空曲率变大，量子引力效应变得更加重要，经典理论已经不能很好地描述宇宙时，人们必须用量子引力理论来理解宇宙是如何开始的。

正如我们在上一章看到的，在量子引力理论中，为了指定宇宙的状态，人们仍然要解释宇宙在过去时空边界的可能历史是如何表现的。只有这些历史满足无边界条件，人们才能避免不得不描述我们不知道也不可能知道的东西的困难:它们在规模上是有限的，但没有边界、边缘或奇点。在这种情况下，时间的开端将是一个规则而平滑的时空点，宇宙将以一种非常平滑有序的状态开始膨胀。不能是完全均匀的，否则就违背了量子论的测不准原理。密度和粒子速度一定会有小的波动，但无边界条件是指在符合测不准原理的条件下，这些波动尽可能小。

在宇宙开始时，有一个指数或“暴涨”时期，在此期间，其规模增加了非常大的倍数。膨胀时，密度起伏一开始总是很小，但后来开始变大。在密度略高于平均值的区域，额外质量的引力作用减缓了膨胀速度。最终，这样的区域停止扩张，坍缩形成星系、恒星和我们这样的人类。宇宙一开始是平稳有序的状态，久而久之演变成波浪起伏的无序状态。这解释了热力学时间箭头的存在。

如果宇宙停止膨胀，开始收缩，会发生什么？热力学箭头会不会反过来，无序度开始随时间降低？这就给从膨胀期生活到收缩期的人留下了科学幻想的各种可能性。他们会看到杯子的碎片爬起来，离开地板，跳回到桌子上吗？他们会记住明天的价格，在股市里暴富吗？由于宇宙至少在100亿年后才会开始收缩，担心那时会发生什么似乎有点迂腐。但是有一种更快的方法可以知道未来会发生什么，那就是跳进黑洞。恒星坍缩形成黑洞的过程与整个宇宙坍缩的后期颇为相似；这样，如果宇宙中收缩相的无序度降低，可以预计在黑洞中也会降低。因此，一个掉进黑洞的宇航员可以在下注前记住轮盘赌上的球的方向来赢钱。然而不幸的是，用不了多久他就会变成意大利面。他也不能让我们知道热力学的箭头是反的，甚至不能把他赢的钱存入银行，因为他被困在黑洞的视界后面。)

起初，我相信当宇宙坍缩时，无序会减少。这是因为我认为宇宙在变小的时候，必须回归到平稳有序的状态。这说明收缩期只是膨胀期的时间反转。收缩期的人会以一种倒退的方式生活:他们会在出生前死去，随着宇宙的收缩而变得更年轻。

这个概念很吸引人，因为它表明在膨胀阶段和收缩阶段之间有一个美丽的对称性。然而，人们不能忽视关于宇宙的其他想法，而仅仅采纳这一个。问题是:它是由无边界条件暗示的，还是与这个条件不相容的？正如我所说的，起初我认为无边界条件实际上意味着无序度会在收缩阶段降低。我之所以被误导，部分原因是因为与地球表面的类比。如果人们认为宇宙的开端对应于北极，那么宇宙的终结应该与其开端相似，就像南极与北极相似一样。但是，南北极在虚时间里对应的是宇宙的开始和结束。实时的开始和结束会有很大的差别。我还被我对一个简单宇宙模型的研究误导了，在这个模型中，坍缩阶段似乎是膨胀阶段的时间反演。然而，我的一个同事，宾夕法尼亚州立大学的唐·佩奇(Don Page)指出，无边界条件并不要求收缩阶段必须是膨胀阶段的时间反演。我的一个学生Raymond Laffler进一步发现，在一个稍微复杂的模型中，宇宙的坍缩和膨胀是非常不同的。我意识到我犯了一个错误:无界条件意味着当相位收缩时，无序继续增加。当宇宙开始收缩或处于黑洞中时，热力学和心理学的时间箭头不会倒转。

当你发现自己犯了这样的错误，你该怎么办？有些人从不承认自己错了，而是继续寻找新的、往往不一致的论据为自己辩护——就像爱丁顿反对黑洞理论时那样。另一些人首先声称他们从来没有真正支持过一个不正确的观点，如果他们支持，也只是为了表明它不和谐。在我看来，如果你在发表中承认自己错了，会好很多，引起的混乱也会少一些。爱因斯坦就是一个很好的例子。他在试图建立静态宇宙模型时引入了宇宙常数，他称之为一生中最大的错误。

回到时间之箭，剩下的问题是；为什么我们观察到热力学和宇宙学的箭头指向同一个方向？或者换句话说，为什么无序增加的时间方向恰恰是宇宙膨胀的时间方向？如果人们相信宇宙先膨胀再收缩，就像无边界假说似乎暗示的那样，那么我们为什么要处于膨胀阶段而不是收缩阶段就成了问题。

人们可以根据弱人择原理来回答这个问题。收缩相的条件并不适合智慧人类的存在，但正是他们可以追问为什么无序增加的时间方向与宇宙膨胀的时间方向相同。前期无边界假说预言的宇宙爆炸，意味着宇宙必须膨胀到非常接近避免坍缩所需的临界速率，这样才不会坍缩很长时间。到那时，所有的恒星都将燃尽，其中的质子和中子可能会衰变为轻粒子和辐射。宇宙将处于几乎完全无序的状态，不会出现强的热力学时间箭头。既然宇宙已经处于近乎完全无序的状态，那么无序的程度也不会增加多少。然而，一个强有力的热力学箭头对于智慧生命的行为是必要的。人类为了生存，必须消耗有序形式的能量——食物，并将其转化为无序形式的能量——热量，所以智慧生命不可能存在于宇宙的收缩阶段。这解释了为什么我们观察到热力学和宇宙学的时间箭头指向同一个方向。不是宇宙膨胀导致无序度增加，而是无边界条件导致无序度增加，只有在膨胀阶段才会有适合智慧生命存在的条件。

总之，科学规律分不清前进和后退的时间方向。然而，至少有三个时间箭头将过去与未来区分开来。它们是热力学箭头，是无序增加的时间方向；心理箭头，即在这个时间方向上，我们能记住过去而不是未来；还有宇宙箭头，也就是宇宙膨胀而不是收缩的方向。我指出心理箭头应该和热力学箭头本质上是一样的。宇宙的无边界假说预言了一个定义明确的热力学时间箭头，因为宇宙必须从一个平稳有序的状态开始。并且我们可以看到热力学箭头和宇宙学箭头的一致性是由于智慧生命只能存在于膨胀阶段。收缩相不适合它的存在，因为没有很强的热力学时间箭头。

人类通过在无序度增加的宇宙中建立一个小而有序的角落来理解宇宙的进步。如果你记住了这本书里的每一个单词，你的记忆将记录大约200万个单位的信息——你头脑中的顺序将增加大约200万个单位。但是，当你读这本书的时候，你至少会把食物形式的1千卡的有序能量，通过对流和汗液的方式，转化为释放到周围空气中的热量形式的无序能量。这使宇宙的无序度增加了大约20亿个单位，或者说大约是你头脑中有序度增加的1亿倍，如果你记得这本书里的一切的话。在下一章中，我试图给我们的头脑添加一些秩序，并解释人们如何将我所描述的一些理论结合起来，以形成一个完整的统一理论，这将适用于宇宙中的一切。